Джеймс Гордон - Почему мы не проваливаемся сквозь пол

И пришли надзиратели сынов Израилевых и возопили к фараону, говоря: “Для чего ты так поступаешь с рабами твоими? Соломы не дают рабам твоим; а кирпичи, говорят нам, делайте. И вот рабов твоих бьют; грех народу твоему”. Но он сказал: “Праздны вы, праздны; поэтому и говорите “Пойдем, принесем жертву Господу”. Пойдите же, работайте. Соломы не дадут вам, а положенное число кирпичей давайте”.

Со времен фараона, у которого были трудности с добавлением соломы в кирпичи, человек всегда использовал те или иные армированные материалы. Тем не менее особое положение как прочные материалы они заняли лишь совсем недавно.

Можно сказать почти наверняка, что добавление рубленой соломы в египетские кирпичи преследовало ту же цель, к которой стремились инки и майя, добавлявшие в свою керамику растительные волокна: предупредить растрескивание глины при быстрой сушке на солнце. Египтяне не обжигали свои кирпичи, да это и не имело особого смысла, потому что вряд ли в Египте стоило опасаться дождя. Глина во влажном состоянии образует отличную податливую массу, но ее усадка при сушке очень существенна и проблема сушки глины напоминает проблему выдержки древесины. Если не сушить медленно, глина будет растрескиваться. Египетское солнце сушит блестяще, но уж очень быстро, поэтому полезно добавить немного соломы чтобы уменьшить растрескивание. Возможно, что упрочняющее влияние волокон на глину после сушки было лишь побочным эффектом.

Однако даже довольно малые добавки волокна оказывают существенное влияние на прочность и вязкость сравнительно хрупких непрочных материалов. Можно привести много таких примеров. Вот один из них. Прежде у английских строителей был обычай добавлять в штукатурку стен немного волоса. Я помню даже, как в детстве один штукатур говорил мне, что для этой цели бычий волос гораздо лучше коровьего, потому что бык, конечно же, намного сильнее коровы. Я никогда не экспериментировал ни с бычьим, ни с коровьим волосом, так что собственной точки зрения на сей счет не имею. Но я добавлял сырую бумажную массу в алебастр. Великолепные результаты этой операции показаны на рис. 45.

Рис. 45. Влияние добавки волокон на ударную вязкость алебастра (испытание падающим шариком)

Рис. 46. Влияние добавки волокон на ударную вязкость фосфатного цемента (испытание падающим шариком)

Очевидна очень резкая тенденция к увеличению ударной вязкости, даже совсем небольшие добавки волокна дают весьма ощутимое улучшение. К сожалению, добавка волокон в мокрый алебастр ведет к его быстрому загустению, иногда смесь с 2-3% волокон уже невозможно перемешать. Правда, с этим злом можно как-то бороться, выбирая другие типы цементов и уплотняя полученную смесь под прессом. На рис. 46 показано влияние асбестовых волокон на ударную вязкость фосфатного цемента (этот цемент очень похож на тот, которым пользуются зубные врачи).

Картина напоминает предыдущую с той лишь разницей, что содержание волокон в этом случае может быть большим, следовательно, возрастут и прочность, и вязкость. Во время второй мировой войны самые тяжелые потери на море приходились на центральные районы Атлантики, где невозможно было обеспечить прикрытие с воздуха. Покойный Джефри Пайк предложил довольно эксцентричный выход из положения: отбуксировать в Центральную Атлантику какой-нибудь айсберг чтобы использовать его в качестве базы для самолетов. Это была по-своему блестящая идея, но исследования показали что механические свойства естественного льда слишком неподходящи для ее реализации. Обычный лед очень не прочен при растяжении, трещины в нем распространяются легко (вот почему ледоколы могут зарабатывать себе на хлеб), и - что хуже всего - прочность льда очень не постоянна. Поэтому разбомбить или торпедировать айсберг не составило бы никакого труда. Но даже если бы он и не подвергся нападению, чтобы служить авиабазой он должен быть настолько большим, чтобы на его длине умещались по крайней мере две атлантические волны (во время шторма их бывает примерно 5-6 на милю) А расчеты показывали, что в этом случае он сломался бы, как балка при изгибе.

Пайк предлагал обойти эта затруднения, добавив в лед немного древесной пульпы. Ему удалось доказать, что около 2% обычной сырой бумажной массы, добавленной к воде перед замораживанием, резко улучшают свойства льда и вдобавок делают их более стабильными. Кривая прочности и вязкости льда в зависимости от добавок целлюлозного волокна очень похожа на кривые, показанные на рис. 45 и 46. Расчеты подтверждали, что в этом случае лед был бы достаточно прочным и весь проект оказался бы реальным. Предполагалось добавить древесную массу в воду и дать ей возможность естественным образом замерзнуть в заливе Ньюфаундленда. Но с этой идеей пришлось расстаться, так как возросший радиус действия самолетов и общая военная обстановка на Атлантике сделали ее ненужной. Пожалуй, в некотором смысле об этом стоит пожалеть.

Вообще говоря, хрупкие материалы становятся более вязкими и прочными при очень малых добавках волокна потому, что само присутствие волокон тормозит и отклоняет трещины со своего пути. Вероятно, все это разыгрывается на внутренних поверхностях раздела. Сейчас трудно точно сказать, как это происходит, но, по-видимому, дальнейшие исследования прольют свет на механизм процесса. В той форме, о которой мы сейчас говорили, - довольно малый процент беспорядочно ориентированных волокон в хрупкой матрице, - комбинированные материалы не пользуются сейчас особым спросом (возможно потому, что сегодня никому не нужны кирпичи солнечной сушки или мобильные айсберги). Но я совсем не удивлюсь, если подобная идея, но в другом виде войдет в моду снова. В настоящее же время бытует мода на несколько иной способ использования волокон.

Те, кто работает в области волокнистых материалов, получают всякого рода доброжелательные предложения о схемах и принципах, которые следовало бы опробовать. Почти все эти советчики не учитывают того, что, если вы хотите получить новый материал, способный конкурировать с довольно хорошими существующими материалами, необходимо в заданный объем ввести большое число волокон. А вот здесь-то и начинаются реальные трудности.

Простые системы, о которых мы сейчас говорили, содержат примерно 2% коротких волокон, добавленных в матрицу. Такая матрица на некоторой стадии находится в более или менее жидком состоянии, и, чтобы ввести в нее волокна, достаточно размешать смесь ложкой. При большом содержании волокна такая операция оказывается на практике неудобной, процесс становится неуправляемым. Суспензии длинных тонких волокон в жидкости очень напоминают растворы, содержащие длинные тонкие молекулы. Оба типа веществ имеют тенденцию к загустению, с которой трудно управиться, пока не изучишь все ее особенности. В производстве бумаги (из которой сделана и эта книга) бумажная масса, то есть суспензия древесных волокон в воде, разбавляется до концентрации ~0,5% и именно в таком виде перерабатывается, так как все операции при этом облегчаются.

Папье-маше

Если содержание волокна превышает примерно 2%, добавлять волокна к матрице становится невозможным, приходится добавлять матрицу к волокнам. При этом все, естественно, изменяется. Почти всегда волокна плотно упаковываются, например в форме бумаги или ткани, а затем пропитываются в смоле или каком-либо другом связующем материале. Оказывается, что это тоже очень старая идея, принадлежащая все тем же египтянам. Оболочки египетских мумий, имевшие весьма сложные формы, делались из папье-маше. Этот материал получается наклейкой кусков бумаги на модель с помощью клейстера или гуммиарабика. Когда клей высыхает, оболочка снимается с формы и красится. В Египте в этих случаях зачастую в дело шли папирусы. Когда археологи отпаривают их по слоям, как правило, они уже непригодны для чтения, но, тем не менее, именно этот процесс помог обнаружить небольшое, по важное направление в греческой литературе. Видимо, только так можно надеяться восстановить работы Сапфо.

Когда вышел из употребления папирус, исчезло и папье-маше. Возродилось оно, почти без всяких изменений, уже в XVIII веке. Особенно широко папье-маше из бумаги использовалось тогда во Франции для изготовления мебели. До самого последнего времени в Англии его применяли для рекламных макетов, а в войну из папье-маше делали топливные баки и другие части самолетов, Метод получения изделий из папье-маше вплоть до примерно 1945 года ничем не отличался от древнеегипетского, разве что вместо папируса использовалась бумага.